相對原子質量(英文名稱:Relative atomic 質量)即原子量(英文名稱:atomic weight)。相對原子質量是指以一個碳-12原子質量的1/12作為標準,任何一個原子的真實質量跟一個碳-12原子質量的1/12的比值,稱為該原子的相對原子質量。自1803年被約翰·道爾頓首次提出,是一個無量綱的相對值。
一個原子由質子、中子和電子構成,質量很小,故引出相對原子質量這一概念。元素的相對原子質量是其各種同位素相對原子質量的加權平均值。元素相對原子質量測定的基準由最開始的以1H到16O,再到一直到現在也公認12C。其測量方法有化學測量法和物理測量法,物理測量法又包括相對質譜法和絕對質譜法。
基本定義
國際原子量與同位素豐度委員會給原子量下的最新定義(1979年)是:一種指定來源元素的原子量是組成的各原子的平均質量(加權)與核素12C原子質量的1/12的比值。相對原子質量用符號Ar(E)表示,A代表原子質量,下標r表示相對,代表某元素。相對原子質量是一個無量綱的相對值,沒有單位。
原子量的計算公式:
fi表示該元素第i種同位素的天然豐度 (原子分數),Mi表示該元素第i種同位素的質量與一個12C原子質 量的1/12之比。
例如有兩種天然同位素,185Re和187Re,1977年測定的相對原子質量和同位素豐度分別為184.952977,37.298%和186.955765,62.602%,由此得到的的相對原子質量為:184.952977×0.37298+186.955765×0.62602=186.02
歷史發展
1803年10月21日,英國氣象物理學家約翰·道爾頓(John Dalton)在曼徹斯特哲學會上首次提出原子量這一概念,并以氫的原子量為1作為其他原子量的基準,并正式公布了第一張原子量表。1807年,英國化學家武拉斯頓(William Hyde Wollaston)通過《化學體系》了解到道爾頓的原子論,但對其原子量值的實用性和可靠性表示懷疑。1814年,他發表了《一種化學當量尺的概述》,并建議替代原子量。
1814年~1826年,瑞典科學家永斯·貝采利烏斯(J.J.Berzelius)廢棄了約翰·道爾頓以氫為1的原子量基準,選用氧原子量為100的基準計算其他元素原子量。先后發表了化學法測定的50個元素的原子量表,測量精度達到±(1%~2%),其中大部分原子量已接近現代原子量數值。1860年,比利時化學家斯達(J.S.Stas)提出以Ar(O)=16為基準,很快得到公認并在化學領域沿用了整整一個世紀。1929年,美國化學家吉奧克和約翰斯頓從氧的光譜中,發現氧含有原子量為17和18的同位素。氧的16O、17O和18O三種同位素,在自然界分布不均勻,因此用天然氧作為原子量的測定基準就欠妥了,物理學開始以單一的氧-16(1?O)同位素質量的1/16為相對原子質量的基準;化學界仍以天然混合氧元素(包含1?O、1?O、1?O)平均原子質量的1/16為基準。這一問題持續了數十年,從此原子量就有了兩種標度。1940年國際原子量委員會確定以1.000275作為2種標度的換算因子,即化學原子量=物理原子量×1.000275。存在兩種標度必然經常引起混亂。
1959年,在慕尼黑召開的國際純粹暨應用物理學聯合會(International Union of Pure and Applied Physics,簡稱IUPAP)上,德國物理學家J.H.馬陶赫(J.Mattauch)建議采用12C=12.0000作為原子量的基準,并提交國際純粹與應用化學聯合會考慮。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)于1960年接受這一建議。1961年,在蒙特利爾召開的國際純粹與應用化學聯合會上,正式通過這一新基準。
1979年國際原子量委員會更名為現今的“原子量與同位素豐度委員會”。同年提出了原子量的定義:一種指定來源元素的原子量是組成的各原子的平均質量(加權)與核素12C原子質量的1/12的比值。
測量方法
化學測量法
最早的原子量測量方法是基于化學測量法,即利用化學反應測出元素的當量,然后乘以原子價即得原子量。這個方法的關鍵在于對樣品質量的稱重以及所用樣品的化學純度,這將決定原子量測量結果的準確性。
物理測量法
相對質譜法
在質譜儀中,被測樣品中的元素產生帶正電荷的離子,陽離子先后通過電場和磁場后發生偏轉。無論正離子傳輸的速度是快或慢,只要質量與電荷之比m/q(簡稱質荷比)相同的離子就會被聚焦在一處,不同m/q的正離子將聚焦在不同位置,從而實現不同同位素離子的區分。通過測定各個同位素離子流的信號強度便可求出這些同位素的相對豐度,進而計算出該元素的原子量。
絕對質譜法
主要采用的方法是使用已知的濃縮同位素試劑,通過稱重法配制人工合成混合樣品來測量質譜儀器的質量偏倚校正系數K,然后在相同的測量條件下,用校正過的質譜儀器去測量天然樣品,從而求得同位素豐度的絕對值,并利用下面公式計算得到元素的原子量。該方法實際上是利用化學計量的方法,通過重量法來消除測量過程中出現的系統誤差,進行同位素豐度的絕對測量。
其中,E代表被測元素;n代表元素E有n個同位素;Ar(E)代表被測元素E的原子量;fi是i同位素的豐度;Mi是i同位素的相對原子質量。
相關概念
相對分子質量
相對分子質量簡稱“分子量”,符號Mr。分子是由原子組成,當知道組成分子的元素及其原子數時,可以知道其分子式,并計算出其相對分子質量。相對分子質量等于組成該分子的各原子的相對原子質量的總和,故相對分子質量也應是無量綱的。
摩爾質量
摩爾質量,它的定義是單位物質的量(每摩爾)的物質所具有的質量,即以質量除以物質的量,通常用符號M表示,其單位為“千克/摩”(kg·mol-1)或“克/摩”(g·mol-1)。并且任何原子、分子或離子的摩爾質量,在單位為g·mol-1時,在數值上等于其相對原子質量、相對分子質量或相對離子質量。
例如:O2的相對分子質量,Mr(O2)=32
1molO2的質量m(O2)=0.032kg
O2的摩爾質量M=m(O2)/n(O2)=0.032kg/1mol=32g·mol-1
原子量表
名字爭議
“原子量”這個名詞在20世紀60年代初引起了一場爭論。1961年世界物理學家和化學家達成了歷史性的協議,決定采用12C作為原子質量的基準,當時物理學家決定對某一核素的質量采用atomic 質量來表征,這對化學家提出了挑戰,是否也同時要將atomic weight(weight中文翻譯為重量)改為atomic mass(mass中文翻譯為質量)?當時,國際原子量委員會(ICAW)決定廢棄atomic weight,將the commission on atomic weights改為the commission on atomic masses,并建議今后要采用“相對原子質量表”(table of relative atomic masses)。這一建議遭到國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)總部的強烈反對而未獲批準。到了1969年,原子量委員會做出了仍保留atomic weight的決定。
1993年,中國國家標準(以下簡稱“國標”)GB3102.8—1993公布,其中將“原子量”改為“相對原子質量”,“分子量”改為“相對分子質量”,做此更改主要是為與國際接軌。但是關于原子量、分子量的定名在學術界一直有著較大的爭議。有些學者認為中國標準應向國際標準靠攏,但更多的學者,尤其是高等院校和研究機構的學者認為:雖應向國際標準靠攏,但名詞命名主要是根據概念內涵,不一定對譯;另外,對于使用時間長且影響大的名詞還要考慮到約定俗成的因素。最終經化學名詞審定委員會專家討論,現階段將“原子量”作為正稱,“相對原子質量”作為“原子量”的同義詞使用。同樣,將“分子量”作為正稱,“相對分子質量”作為“分子量”的同義詞使用。
參考資料 >
原子量、相對原子質量,分子量、相對分子質量的定名.全國科學技術名詞審定委員會事務中心.2023-07-28
同位素的發現及其研究.學習強國.2023-08-02
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Atomic Mass | Periodic Table of Elements - PubChem.PubChem.2023-08-03